혼화재 종류 및 치환율을 고려한 저탄소 콘크리트 배합설계 모델 Mixture-Proportioning Model for Low-CO2 Concrete Considering the Type and Addition Level of Supplementary Cementitious Materials원문보기
이 연구의 목적은 다양한 혼화재를 기반으로 목표 $CO_2$ 저감율 뿐만 아니라 콘크리트 초기 슬럼프, 공기량 및 28일 압축강도와 같은 종래의 요구 사항을 만족하는 $CO_2$ 저감 콘크리트의 합리적인 배합 설계 절차를 확립하는 것이다. $CO_2$ 배출과 콘크리트의 압축강도에 혼화재가 미치는 영향을 평가하기 위해, 실내 배합 및 레미콘 공장 데이터(전체 12537 배합표)를 분석하였다. 콘크리트의 배합에 따른 $CO_2$ 배출량 평가를 위해 고려된 시스템 경계는 재료 채취 및 가공에서부터 레미콘 공장에서 콘크리트 생산단계까지이다. 구축된 12537 콘크리트 배합 데이터를 사용한 비선형 회귀 분석을 통해 혼화재의 종류 및 치환율, W/B, S/a와 같은 콘크리트 배합 설계를 결정할 수 있는 간단한 모델식을 제시하였다. 또한, 주어진 콘크리트 배합에 대한 $CO_2$ 배출량은 제안된 모델식을 이용하여 직접 계산 될 수 있다. 결국, 개발된 배합 설계 절차는 레미콘 분야에서 $CO_2$ 저감 콘크리트의 초기배합표를 결정하는데 효율적으로 이용될 수 있다.
이 연구의 목적은 다양한 혼화재를 기반으로 목표 $CO_2$ 저감율 뿐만 아니라 콘크리트 초기 슬럼프, 공기량 및 28일 압축강도와 같은 종래의 요구 사항을 만족하는 $CO_2$ 저감 콘크리트의 합리적인 배합 설계 절차를 확립하는 것이다. $CO_2$ 배출과 콘크리트의 압축강도에 혼화재가 미치는 영향을 평가하기 위해, 실내 배합 및 레미콘 공장 데이터(전체 12537 배합표)를 분석하였다. 콘크리트의 배합에 따른 $CO_2$ 배출량 평가를 위해 고려된 시스템 경계는 재료 채취 및 가공에서부터 레미콘 공장에서 콘크리트 생산단계까지이다. 구축된 12537 콘크리트 배합 데이터를 사용한 비선형 회귀 분석을 통해 혼화재의 종류 및 치환율, W/B, S/a와 같은 콘크리트 배합 설계를 결정할 수 있는 간단한 모델식을 제시하였다. 또한, 주어진 콘크리트 배합에 대한 $CO_2$ 배출량은 제안된 모델식을 이용하여 직접 계산 될 수 있다. 결국, 개발된 배합 설계 절차는 레미콘 분야에서 $CO_2$ 저감 콘크리트의 초기배합표를 결정하는데 효율적으로 이용될 수 있다.
The objective of this study is to establish an rational mixture-proportioning procedure for low-$CO_2$ concrete using supplementary cementitious materials (SCMs) achieving the targeted $CO_2$ reduction ratio as well as the conventional requirements such as initial slump, air co...
The objective of this study is to establish an rational mixture-proportioning procedure for low-$CO_2$ concrete using supplementary cementitious materials (SCMs) achieving the targeted $CO_2$ reduction ratio as well as the conventional requirements such as initial slump, air content, and 28-day compressive strength of concrete. To evaluate the effect of SCM level on the $CO_2$ emission and compressive strength of concrete, a total of 12537 data sets were compiled from the available literature and ready-mixed concrete plants. The amount of $CO_2$ emission of concrete was assessed under the system boundary from cradle to concrete production stage at a ready-mixed concrete plant. Based on regression analysis using the established database, simple equations were proposed to determine the mixture proportions of concrete such as the type and level of SCMs, water-to-binder ratio, and fine aggregate-to-total aggregate ratio. Furthermore, the $CO_2$ emissions for a given concrete mixture can be straightforwardly calculated using the proposed equations. Overall, the developed mixture-proportioning procedure is practically useful for determining the initial mixture proportions of low-$CO_2$ concrete in the ready-mixed concrete field.
The objective of this study is to establish an rational mixture-proportioning procedure for low-$CO_2$ concrete using supplementary cementitious materials (SCMs) achieving the targeted $CO_2$ reduction ratio as well as the conventional requirements such as initial slump, air content, and 28-day compressive strength of concrete. To evaluate the effect of SCM level on the $CO_2$ emission and compressive strength of concrete, a total of 12537 data sets were compiled from the available literature and ready-mixed concrete plants. The amount of $CO_2$ emission of concrete was assessed under the system boundary from cradle to concrete production stage at a ready-mixed concrete plant. Based on regression analysis using the established database, simple equations were proposed to determine the mixture proportions of concrete such as the type and level of SCMs, water-to-binder ratio, and fine aggregate-to-total aggregate ratio. Furthermore, the $CO_2$ emissions for a given concrete mixture can be straightforwardly calculated using the proposed equations. Overall, the developed mixture-proportioning procedure is practically useful for determining the initial mixture proportions of low-$CO_2$ concrete in the ready-mixed concrete field.
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문제 정의
본 연구의 목적은 다양한 SCM을 사용한 콘크리트 배합에서 목표성능(압축강도, 슬럼프, 공기량 및 CO2 저감율)에 대한 콘크리트 시험배합을 결정하기 위한 절차를 제시하는 것이다. 콘크리트 배합단계에서의 CO2 배출량 평가를 위해 선택한 시스템 경계는 ISO13315-27)에 따라 원료채취에서부터 레미콘 공장에서의 콘크리트 생산까지이다.
산출된 콘크리트 배합설계에 대해 CO2 발생량을 평가하고 목표 CO2 저감율의 만족여부를 검토한다. 만일 목표 CO2 저감율을 만족하지 않는 경우에는 2단계 결합재 설계에서 SCM 종류와 치환율을 재설계한다.
이전단계에서 결정된 콘크리트 구성재료(시멘트계 재료, 골재, 물, 공기량 등)의 용적의 합이 1 m3에 부합하는지 검토한다.
가설 설정
시간적 경계는 1990~2012년으로, 지역적 경계는 서울로 가정하였으며 일반적으로 콘크리트는 1 m3 단위로 주문과 생산이 이루어지므로 콘크리트 배합단계에서 CO2 평가를 위한 기능단위는 1 m3로 설정하였다.
A열은 콘크리트 배합에 관련된 정보로서 각 재료의 단위용 적질량이며, B열은 각 재료의 LCI에서 제공하는 CO2 원단위이며, D열은 각 재료의 생산지 출구에서부터 레미콘 공장까지의 거리이며, E열은 각 재료의 운송수단의 CO2 원단위이다. 운송수단으로서 시멘트계 재료는 벌크 시멘트 트레일러로, 골재는 15 톤 트럭으로 가정하였다. 콘크리트 생산을 위한 콘크리트 구성재료들의 생산에 의한 CO2 배출량은 A열과 B열의 곱으로 산정되며, 그 재료들의 운반에 의한 CO2 배출량은 A열, D열 및 E열의 곱으로 산정된다.
제안 방법
10)은 감수제와 SCM을 사용하지 않은 콘크리트의 초기 슬럼프와 다른 영향 인자의 관계를 분석하였다. 그 결과 콘크리트 배합단계에서 목표 슬럼프에 대한 S/a의 초기값 결정을 위하여 다음 식과 같이 최적값, 상한값 및 하한값을 제시함으로서 임의의 범위 내에서 설계자가 선택할 수 있도록 하였다.
혼화재 치환이 콘크리트 압축강도 및 CO2 배출량 저감에 미치는 영향을 파악하기 위하여 5,231개의 실내배합과 7,306개의 레미콘 배합을 분석하였다. 기존 배합들에서 평가된 CO2 배출량을 기반으로 콘크리트 목표성능에 대해 SCM 치환율을 결정할 수 있는 식을 제안하였다.
하지만 본 연구는 콘크리트 압축강도에 대한 결합재 양 및 압축강도에 대한 각변수의 영향을 비선형 회귀분석을 통해 결정하였기 때문에 각 강도별 혼화재의 영향 및 골재조건 등을 제시된 배합설계 절차에 적절히 반영하는 데에는 한계가 있을 수 있다. 따라서 본 연구에서 제시된 SCM 기반의 저탄소 콘크리트 배합설계 절차는 다음과 같은 관점에서 활용될 수 있다:1) 콘크리트 배합설계표로부터 CO2 배출양 및 CO2 저감율을 직접 평가할 수 있다;2) 현장에서 콘크리트 목표성능에 대한 최초의 시험배합용 배합설계를 결정하고 시험결과와의 비교를 통하여 배합설계를 적절하게 보정한다. 혼화재 기반의 저탄소 콘크리트 배합설계 절차에 대한 기초연구로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
7에 나타낸 분석결과는 비교적 낮은 상관계수를 보였는데 이는 콘크리트 배합 자료들의 제공처(source)의 차이로 인해 사용골재들의 함수율, 강도 및 입도분포와 양생온도 및 습도 등이 각 배합에 따라 상이하며, 압축강도 측정에서도 가력속도 등이 차이가 있기 때문이다. 이 분석 결과를 통해 목표 CO2 배출 저감율과 설계 압축강도를 만족시키기 위한 단위 결합재 양의 설계 모델식을 제시하였다.
콘크리트 압축강도, 결합재 양, 및 CO2 배출량의 상호 관계는 Bi 및 Ci의 개념을 도입하여 설명 할 수 있다. 이들 지수(Bi, Ci)의 관계를 유도하기 위해서 데이터들은 다음 조건들을 고려하여 분석하였다.
콘크리트 생산단계에서 목표성능을 만족시키면서 CO2배출량을 저감시키기 위한 SCM 치환율 결정 및 그에 따른 배합설계 절차를 제시하였다. 하지만 본 연구는 콘크리트 압축강도에 대한 결합재 양 및 압축강도에 대한 각변수의 영향을 비선형 회귀분석을 통해 결정하였기 때문에 각 강도별 혼화재의 영향 및 골재조건 등을 제시된 배합설계 절차에 적절히 반영하는 데에는 한계가 있을 수 있다.
배출량과 함께 압축 강도에 중요한 영향을 미친다. 콘크리트 압축강도에 따른 결합재 양의 선택을 위해 콘크리트 배합의 데이터베이스를 이용하여 분석하였다(Fig. 7). Fig.
콘크리트 배합단계에서의 CO2 배출량 평가를 위해 선택한 시스템 경계는 ISO13315-27)에 따라 원료채취에서부터 레미콘 공장에서의 콘크리트 생산까지이다. 혼화재 치환이 콘크리트 압축강도 및 CO2 배출량 저감에 미치는 영향을 파악하기 위하여 5,231개의 실내배합과 7,306개의 레미콘 배합을 분석하였다. 기존 배합들에서 평가된 CO2 배출량을 기반으로 콘크리트 목표성능에 대해 SCM 치환율을 결정할 수 있는 식을 제안하였다.
대상 데이터
콘크리트의 목표성능에 대한 물-결합재비와 같은 배합 변수 및 SCM 치환율의 영향을 평가하기 위하여 실내배합 데이터 5,231개와 레미콘 공장배합 데이터 7,306개를 분석하였다. 수집된 데이터의 콘크리트 배합기간은 1990~2012년도로서 레미콘 배합의 수집지역은 대부분 서울, 경기도 및 경상도 지역이다. 데이터베이스에서 재령 28일 압축강도의 범위는 Fig.
콘크리트의 목표성능에 대한 물-결합재비와 같은 배합 변수 및 SCM 치환율의 영향을 평가하기 위하여 실내배합 데이터 5,231개와 레미콘 공장배합 데이터 7,306개를 분석하였다. 수집된 데이터의 콘크리트 배합기간은 1990~2012년도로서 레미콘 배합의 수집지역은 대부분 서울, 경기도 및 경상도 지역이다.
데이터처리
는 각각 GGBS, FA 및 SF의 치환율이다. 식 (6)의 실험상수(A1, B1, C1 및 D1)을 결정하기 위하여 콘크리트 배합의 데이터베이스를 활용하여 회귀분석을 수행하였다. 그 결과 실험상수 A1, B1, C1 및 D1는 각각 0.
이론/모형
따라서 콘크리트의 CO2 평가는 단순히 1 m3에 대한 CO2 발생량의 평가가 아닌 단위 압축강도 (1 MPa)의 발현을 위한 CO2 발생량이 평가될 필요가 있다. 본 연구에서는 Yang et al. 9)이 제시한 결합재 지수(Bi)와 CO2 지수(Ci)를 이용하여 SCM 치환에 따른 CO2 배출량을 평가하였다.
)를 만족하기 위한 보정계수를 곱한 값으로 산정된다. 본 연구에서는 fcr산정에 대하여 ACI318-1111)에서 제시한 모델(식 15)을 사용하였다.
콘크리트 생산단계에서의 CO2 평가를 위한 시스템 경계는 ISO13315-27)의 절차를 고려하여 원재료 채취 및 가공에서부터 콘크리트 생산단계까지로 설정하였다(Fig. 1). 혼화재 치환이 콘크리트 CO2 저감에 미치는 영향은 구조물 시공, 사용 중 또는 해체단계에서는 매우 미미하며 장비 및 에너지 소비에 따른 CO2 발생량은 SCM의 치환과 무관하기 때문에 이는 무시하였다.
성능/효과
1) 일반적으로 동일한 압축강도에서 OPC에 비해 FA와 GGBS로 치환된 콘크리트는 결합재 양이 많은 반면 SF로 치환된 콘크리트는 결합재 양이 적었다. 이에 따라 목표강도에 대한 단위 결합재 양은 각혼화재 치환율의 함수로 제시될 수 있었다.
2) 혼화재들의 종류 및 치환율을 변수로 하여 CO2 저감율은 선형관계로 모델링 될 수 있었다. 이를 통해 목표 CO2 저감률과 사용되는 혼화재 종류에 따라 혼화재의 치환율을 결정할 수 있었다.
3) 결정된 혼화재 치환율을 고려하여 목표 압축강도 및 공기량을 만족하기 위한 단위 결합재양 및 W/B를 결정할 수 있었다.
4) 제시된 저탄소 콘크리트 배합절차를 이용하면, 목표성능(압축강도, 슬럼프, 공기량 및 CO2 저감율)에 대해 각 재료의 단위용적중량의 결정뿐만 아니라 제시된 배합표에서 CO2 배출량을 쉽게 산정할 수 있었다.
결합재 지수의 감소속도는 fck가 약 60 MPa 이상에서 점차 완화되면서 SCM 치환에 관계없이 Bi 의 값은 약 4~5 kg/m3·MPa-1에 수렴하는 경향을 보였다.
식 (6)의 실험상수(A1, B1, C1 및 D1)을 결정하기 위하여 콘크리트 배합의 데이터베이스를 활용하여 회귀분석을 수행하였다. 그 결과 실험상수 A1, B1, C1 및 D1는 각각 0.94, 1.1, 1.06 및 0.92로 결정될 수 있었다(Fig. 6). 따라서 Bi와 Ci의 관계는 다음 식 (7)과 같이 나타낼 수 있다.
후속연구
배출량을 저감시키기 위한 SCM 치환율 결정 및 그에 따른 배합설계 절차를 제시하였다. 하지만 본 연구는 콘크리트 압축강도에 대한 결합재 양 및 압축강도에 대한 각변수의 영향을 비선형 회귀분석을 통해 결정하였기 때문에 각 강도별 혼화재의 영향 및 골재조건 등을 제시된 배합설계 절차에 적절히 반영하는 데에는 한계가 있을 수 있다. 따라서 본 연구에서 제시된 SCM 기반의 저탄소 콘크리트 배합설계 절차는 다음과 같은 관점에서 활용될 수 있다:1) 콘크리트 배합설계표로부터 CO2 배출양 및 CO2 저감율을 직접 평가할 수 있다;2) 현장에서 콘크리트 목표성능에 대한 최초의 시험배합용 배합설계를 결정하고 시험결과와의 비교를 통하여 배합설계를 적절하게 보정한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
OPC 치환은 콘크리트 혼화재로써 무엇을 활용하는가?
콘크리트 혼화재(supplementary cementitious materials, SCMs)로서 GGBS, FA 및 실리카 흄(silica fume, SF)을활용한 OPC 치환은 콘크리트 생산 시 CO2 배출량의 저감뿐만 아니라 산업부산물의 재활용 및 천연자원 보존의 긍정적 환경영향도 기대할 수 있다. 이에 따라 콘크리트 산업에서는 콘크리트의 품질에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 OPC 사용양을 최소화 하면서 SCM 치환율을 점차 증가시키고 있다2,3).
보통 포틀랜드 시멘트 사용량 감소를 위한 다양한 노력이 이루어지는 이유는 무엇인가?
천연자원 보존 및 이산화탄소(CO2) 배출저감 측면에서 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary Portland cement, OPC)의 사용량을 감소시키기 위한 다양한 노력들이 이루어지고 있다1). 국내의 시멘트 산업에서도 CO2 배출 저감을 위하여 시멘트 제조 시 석회석과 같은 시멘트 혼합재의 비율 증가, 에너지 효율설비 확충 및 에너지 저소비형 클링커 제조 등에 대한 기술개발이 시도되고 있다.
콘크리트 산업에서 콘크리트 품질에 영향을 미치지 않는 범위 내에 OPC 사용량을 최소화 하면서 SCM 치환율을 점차 증가시키는 이유는 무엇인가?
콘크리트 혼화재(supplementary cementitious materials, SCMs)로서 GGBS, FA 및 실리카 흄(silica fume, SF)을활용한 OPC 치환은 콘크리트 생산 시 CO2 배출량의 저감뿐만 아니라 산업부산물의 재활용 및 천연자원 보존의 긍정적 환경영향도 기대할 수 있다. 이에 따라 콘크리트 산업에서는 콘크리트의 품질에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 OPC 사용양을 최소화 하면서 SCM 치환율을 점차 증가시키고 있다2,3).
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